[发明专利]具有改进的灭弧的中压真空管的触头的绕组、以及相关的真空管和断路器例如交流切断断路器

说明书

技术领域

本发明涉及中压真空断路器，中压真空断路器有时也被称为真空瓶。

本发明尤其涉及在这种真空断路器里的改进的灭弧效果。

本发明主要应用于在发电站的输出上，真空断路器用作交流（AC）发电机隔离断路器中的切断开关。

背景技术

很多年来，真空断路器在中压配电开关装置里用来切断量级为几千安（KA）通常是25KA，几千伏（KV）通常是36KV的短路电流。在这种型号的配电开关装置里，真空断路器也需要经受通常是在1250安（A）量级的持续电流而没有过热。它们被嵌入到配电网络的方式是使得在电网正常操作时，那些真空断路器被闭合，并且它们承载持续的额定电流。

在本领域中众所周知，为了切断这种短路电流，有必要设计电弧触头，以至于在触头的面对端部产生强的轴向磁场（AMF）或者强的径向磁场（RMF）以便在触头分离时灭弧。

换句话说，在真空断路器里切断高电流需要电弧触头把这种电弧控制装置纳入其中：该电弧触头因此成为真空断路器的一个一体部分。

期待这种电弧控制装置发挥的作用是确保当电流被切断时通过电弧触头产生的电弧的能量密度保持低于限制值，该限制值为切断电流并承受在电流被截断后立即在真空空间里恢复的电压所必需的值。

上面提到的AMF是平行于真空断路器的轴线产生的，然而，同样的上面提到的RMF产生导致电弧在触头的机械表面外围旋转的磁场力。

该AMF或RMF在电流流经电弧控制触头时由电流自身产生。

通常，产生AMF或RMF的电弧控制装置包含两个绕组，一个安装在真空断路器的动电弧触头上，另一个安装在真空断路器的静电弧触头上。如果电流在两个绕组里以相同方向流动，当打开或者互相分离两个电弧触头时，产生的磁通在真空断路器的两个电弧触头之间的真空空间的轴向方向叠加。如果电流以与另一绕组中的电流方向相反的方向流入一个给定绕组，结果导致磁通能够在两个分离的电弧触头之间的真空空间里径向延伸。

产生AMF的电弧控制装置理论上具有防止电弧在精确区域里收缩的第一个技术效果。换句话说，它们需要在一个尽可能大的接触区域上扩大电弧。所追求的结果是因此在尽可能大的接触区域里扩散电弧能量，并且因此能够使交流电在自然的过零处被切断。

有效的AMF电弧控制装置因此必须在触头的整个表面上产生高的且均匀的磁通。

通常，切断在30KA到50KA的范围内的电流需要用直径在50mm到80mm范围内的触头。对这样的直径来说，目前实施的AMF电弧控制装置能够基本满足。

然而，在应用中使用的某些真空断路器，它们在切断几千安培，通常是63KA，80KA到160KA时可能会遭受短路。那就必需使用更大直径的触头，通常是范围在90mm到150mm。

对于这样的直径，发明人已经发现，AMF形成为不均匀分布在物理接触表面上且在中心部分的场更弱，这导致真空断路器的切断性能减弱。

已经提出一些解决方案来增加真空断路器的触头产生的磁通，同时也能够使它们能够在闭合的位置时承受持续电流。

一些现存的解决方案导致了在触头的绕组部分和/或在电极部分嵌入额外的铁磁体材料，或者在触头主体中形成槽以便减弱局部涡流，或者把两种解决方案结合起来。

就嵌入铁磁体材料而言，专利US 6 747 233 B1公开了使用不同饱和度和导磁率u的磁性环，以便使得不同分布及不同值的磁场作为电流大小的函数，也就是，对于低电流和高电流不同。更准确的说，可饱和磁性材料101，401和不可饱和磁性材料102，402被嵌入一个触头主体104，404内，所述触头主体是实心的且基本导电的，并且本身被固定在一个基本导电的机械连接棒部分103上。在可以想到的实施例中，可饱和材料的电阻率相对值和那些非可饱和材料的相反。相应的，在图1A到3所示实施例中，可饱和材料101具有高的电阻率，它被嵌入在一个具有低电阻率的不可饱和材料102的周围。在触头里用铁磁性材料的主要缺点是触头被磁化，因此它按原样要遭受磁场产生的力。对于50赫兹（Hz）的频率正弦AC，这个力每10毫秒（ms）会反向。应该用来控制短路电弧的材料上的该力的持续存在有弱化触头自身结构的趋势。此外，插入铁磁性材料时获得的磁场值未必高于没有插入铁磁性材料时获得的磁场值。

专利DE195 03 661和US 4 390 762都公开了一种把制出槽和嵌入额外的铁磁性材料结合起来的解决方案。